автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Метод автоматизированного проектирования систем обработки телеметрических данных

академия наук ссср

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА лишил ¡шстагут КОСШ1ЧЕС1Ш КССЛЕДОВА1П1Я

На правах рукописи УЖ 579.683.5:629.78

БАЛАК1ША ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА

ОТОД АВТОШИБНРОВЛШОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ТтШРИЧЕСШК ДШ1ЫХ.

05.11.16 - ннфорнашюнно-измерптельше системы (2 научных исследованиях)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических тук

Москва, 1991

Работа выполнена в Институте космических исследований Акадешш наук СССР

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Шевченко ВЛ. кандидат физико-математических наук Грибов Б.Э.

доктор технических наук, профессор Иванов И. М. ЩШИМАШ,

доктор физико-математических наук Мерсов Г.Л. Институт космических исследований АН СССР

Институт Земного Магнетизма» ионосферы к распространения радиоволн АН СССР.

Автореферат разослан" " 1891 г.

Защита диссертации состоится" 1991г.

зз_ЛО часов на заседании специализированного совета

Д002.94.03 при НКИ АН СССР (конференц-зал) по адресу; г. Москва, Прсфсовэная, 84/32.

С диссертациеп можно ознакомиться в библиотеко НИИ АН СССР.

УченыЗ секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук Шалимов В. П.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

1.1. Актуальность ппобламч. Быстрое развитие н совершенстпова-нно технических средств, составляющих аппаратурную часть информационно-измерительной системы (ИИС) эксперимента, приводит к тому, что объем научных данных, получаемых с космических аппаратов (КА), очень велик и имеет ярко выраженную тенденцию к увеличению в планируюзшх-сл з Олижайшем будукем проектах. Вместе с увеличением общего объема данных усложняется логика кодирования научной информации. В настоящее время телеметрические (ТМ) объекты представляют ссбоП плотно упакованную последовательность сложной структуры. Потоки данных, поступавших на Землю с КА, зависят от их назначения и различаются по структуре, но имеют одну обцуа характерную тенденцию: стремление к их увеличении н усложнению логики их кодирования.

Эта тенденция обуславливает увеличение нагрузки на ту часть ИКС, которая обеспечивает наземную обработку поступавших потоков данных и предоставление результатов ее экспериментаторам.

Традиционный подход к проблеме обработки, заключающийся в создании большого количества программ обработки на языках высокого уровня, в современных условиях, когда декодирование каждого та объекта пз интегрального потока сопряжено с выполнением большого количества операция с битовыми последовательностями произвольной длины, не удовлетворяет требованиям к оперативности обработки ¡геформа-щш, в частности, для задач управления ходом эксперимента. Кроме того, увеличивавшиеся объемы та данных приводят к росту затрат труда программистов, ответственных за обработку.

Выведение процесса обработки на уровень, удовлетворяя кий степени развития аппаратной части современных ИИС, возможно:

1. При автоматизации разработки математического обеспечения.

2. При выборе оптимальных алгоритмов декодирования.

-г-

3. При выборе машинно-ориентированных языков программирования для реализации программ обработки.

Сбзор широкого круга отечественных и зарубежных публикаций показывает, что не существует методики, позволяющей автоматизировать процесс обработки телеметрических данных и удовлетворяете!! перечисленным вше требованиям.

В настоящей диссертации предлагается новый подход к проблеме обработки ТМ данных - генератор программ преобразования телеметрических данных (ГППТД или сокращенно ПТД).

Генератор позволяет автоматизировать процесс разработки программ на стадии первично!! обработки интегрального потока данных, когда структура потока данных восстановлена и сбойные участки удалены. В этой структуре ТМ объекты расположены з соответствии с известными априори алгоритмами кодирования информации на борту.

Возможность формализации базируется на следующих основных предпосылках

1. Применение жестких алгоритмов кодирования ТЫ, как правило, известных априори.

2. Достаточность конечного набора операций для декодирования объектов ТМ.

Применение ПТД к обработке ТМ данных имеет следующие преимущества перед традиционной технологией создания аналогичных программ па языках высокого уровня:

1. Значительное сокращенна затрат труда на создание программ обработки, поскольку применение языков кодирования позволяет оторваться от конкретного битового представления, в котором поступает телеметрическая информация, в значительно сократить количество однотипных операций обработки. В конечной счете это приводит к сокращения времени разработки.

2. Создание» надежных программ, поскольку использование соответствующих каждой операции декодирования оттестированных макро-

определений уменьшает возможность возникновения случайной ошибки.

3. Создание оптимальных по времени программ обработки, т. к. реализация на языке ассемблера очевидным образом дает выигрыш в несколько раз по сравнению с аналогичной по функциям программой на языке высокого уровня.

4. Простота модификации программ декодирования в процессе испытаний. Проблемы внесения изменений в техническое задание решается с применением ПТД чрезвычайно просто: изменения вносятся соответствующим образом в представленное с помощь» языка кодирования техническое задание на обработку и после перетраисля-ции генерируется новый текст программы декодировашш, подменяющий предыдущий.

Одно из наибольших преимуществ применение нового подхода заключается в возможности в кратчайшие сроки адаптировать программу обработки, реализованную на ЭВМ серии ЕС, для работы на ИМ РС, и наоборот.

й наконец, наиболее очевидно преимущества использования нового подхода проявляются при применении к высокоинформативным потокам данных сложной структуры, для обработки которых необходимо выполнить большое количество операций с битовыми последовательностями.

Цельр работы является исследование, моделирование и реализация следующих независимых этапов:

исследование различных структур телеметрического потока п классификация операций кодирования телеметрических объектов; разработка синтаксиса специализированного языка кодирования телеметрической информации;

разработка синтаксиса специализированного языка запросов телеметрической информации;

моделирование и разработка стандарта макроопределения, взаии-

но однозначно соответствующих операциям выборки и декодирования объектов телеметрической информации; разработка и реализация трасляторов с языков кодирования к ¡запросов телеметрической информации.

Научная новизна работы заключается во всестороннем исследовании проблем обработки телеметрических данных.

Впервые предложена методика, направленная на автоматизацию логической обработки больших потоков информации слодной структуры.

Впервые проведены исследования и систематизация существуют: телеметрических структур, а также обоснована возможность формализации данных структур с помощь» специализированного языка высокого уровня. Показано, что средствами данного языка мокко описать телеметрический объект произвольной сложности.

Разработан язык запросов телеметрической информации, позволяющий отразить требования пользователей к декодированным данным.

Достигнуто взаимно однозначное соответствие мекду необходимыми операциями декодирования и стандартом библиотеки макроопределений, выполняющих эти функции. Стандарт макроопределений'применим для реализации на языке ассемблера для любого распространенного типа ЭВМ.

Реализован транслятор с языка кодирования к языка запросов телеметрических данных, который при совместной обработка формализованного технического задания на обработку и формализованных требований пользователя к декодированным данным генерирует исходный текст подпрограммы обработки.

Предложена концепция создания программ обработки данных космических проектов с применением генератора нрограш преобразования телеметрических данных.

Практическая и научная значимость работы Рассматриваемы;» к диссортащц задачи непосредственно направлены на модернизации в области разработки систем математического обеспечения обработки те-

ламетрическкх данных, получаемых с помощью ИИС космического эксперимента

Кроме того, методика, предложенная в диссертации, может быть широко использована но только для обработки телеметрических данных космических проектов, по и различных потоков информации большого обьсма п сложной структуру, исследуемые п других областях науки.

Генератор разработал таким образом, что его можно использовать но только для создания программ обработки данных космический экспериментов, но я в любой другой области, связанной с обработкой сложно упакованных потоков информации.

Предлагаемый в настогаеП диссертации новый подход бил успеишо применен к обработке телеметрических данных проекта "Гранат", выявив все перечисленные визе преимущества, что позволяет судить о распространении предлагаемого подхода к обработке данных последующих космических проектов.

' Результаты диссертационной работы могут быть использованы в следующих организациях: НПО км. Лавочкина, НИЩ ИЗМИР АН СССР, ИФЗ км. О.Ю. Шмидта, ЦУП.

На заптту выносятся следующие положения:

- исследование современных типов телеметрических структур приводит к возможности формализации обработки ТН данных па этапа первичной обработки, и применение предлагаемой в диссертации методики позволяет автоматизировать разработку математического обеспечения для этого этапа;

- синтаксис разработанного языка кодирования ТО информации позволяет формализовать любые суцествуюяие структуры, а синтаксис языка запросов— требования пользователя к декодированным данным;

- моделирование и разработка стандарта макроопределений, взаимно однозначно соответствующих операциям выборки и декодирования объектов ТМ информации, приводит к правильному функционированию генерируемых подпрограмм обработки;

-0- применение предлагаемой методики для создания систем математического обеспечения обработки ТН данных шеет значительный преимущества перед традиционным подходом.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке методики, алгоритмов и программ, позволяющих автоматизировать процесс первичной обработки телеметрических данных; в исследовании существующих телеметрических структур и разработке синтаксиса языка кодирования и языка запросов телеметрической даформощш, позволяющий создавать самодокуыеиткрованные техничэс^е вадшшя на обработку телеметрических данных; в разработко стандарта библиотеки макроопределений; в реализации транслятора с языкакодировании и языка запросов телеметрической информации, позволяющий генерировать исходный текст подпрограмм обработки в виде послодоватольно-стн макрокоманд. Кроме того, автором предложен оптимальный алгоритм предварительной обработки телеметрических данных проекта "Гранат") проведена апробация предлагаемой методики обработки для прибора "Сигма" проекта "Гранат" и предложена концепция проведения обработка космических проектов с применением генератора программ прэобра-вовшшя телеметрических данных.

Апробашш работы. Основные результаты работ, составивших содержание диссертации, докладывались на конференции ЦФТИ 1966 года, на конференциях молодшоученьш ИКИ 19&6, 1980 годов, ка 9-ой ковфо-рэнцпк секцнн И6 международной рабочей группы "Космическая фааика" программы ИНТЕРКООЮС 1988 года в Потсдаме (ГДР), в также па семинарах ИКИ АН СССР.

Итблккапии. По теме диссертации о советских п зарубежных изданиях опубликовано 9 работ.

Объем п структура диссортшшк. Диссертация состоит па введения, пяти глав к заключоиия, содержит страниц, вкличая ¿¿т&бляв в 61 к&нменоваяво библиографии.

ССПОЕНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Во введении сформулированы основные проблемы, решаемые в дне сертации, приводится обоснование актуальности выполненной работы, дано краткое содержание диссертации.

Первая глава диссертации посвящена анализу телеметрических структур и описании разработанного синтаксиса языка кодирования. Специализированный язык кодирования ТМ информации предназначен для формализации входного технического задания, представлявшего собой описание произвольной единицы информации потока телеметрических данных конкретного космического проекта и аналогичного традиционному техническому заданию телеметрической структуры»

Язык кодирования построен по принципам описания данных совро-

/

мегашх универсальных языков программирования Паскаль и Модула-з. Выбор такого подхода к разработке синтаксиса языка обоснован по» ыохностьо создавать простые» наглядные и компактные входные технически задания а соответствии с правилами структурного программирования.

Язих отражает порядок следоаатш телеметрических объектов в описываемой единице информации п логику кх кодирования. Под ь„лпн цей информации понимается любая логически завершенная единица теле-нэтрпчзскоП информации, входящая п состав интегрального потока данных конкретного космического проекта. В качества такса логической едшшцц информации может быть выбран кадр опроса одного из прпбо ров, установлешшж на борту, или цикл опроса нескольких приборов. Выбор логпЧоскоЯ единицы информации принадлежит лнцу, ответствен кому за обработку, п зависит от соображений целесообразности такого выбора.

В глап о вводится понятие объекта телеметрии. Каждый сСге.™ ТУ представляет собой единичный неделимый последовательный набор бит поступающего на обработку интегрального потока, и ещ приписывает

:я уникальное имя, а также атрибуты, которые отражают логику кодирования объекта б ТМ или другие его свойства. Предлагаемый подход позволяет оторваться от конкретного битового представления объектов при создании технического задания на обработку и формализовать его с помощью специализированного языка высокого уровня.

Структурированною объекты описываются в языке кодирования :структурными типами информации. Однотипные объекты группируются путем объединения в массивы, а объекты различающихся типов объединяются в записи. При структурировании объектов для их описания используется единственный оператор, что приводит к компактности описания.

Описание входных технических заданий на языке кодирования требует некоторых навыков работы с телеметрией. В целях повышения надежности кодирования потока ТН информации полагается целесообразным создание входных технических заданий программистами, ответственными за обработку.

Во второй главе приведен синтаксис языка запросов телеметрической информации. Язык запросов отражает структуру генерируемой программы обработки. Язык чрезвычайно прост и дает возможность самостоятельной обработки телеметрической информации широкому кругу пользователей, не требуя от пользователя изучения сложных специали-Лфованиых систем. Пользователь должен указать, в каком виде (фор-уальные параметры пли внешние переменные) и каком порядке он ожидает получить декодированные данные, а таете зарезервировать под них место в своей программе. Связь мехду входным техническим заданием в Jaдaниeн на обработку организуется путем соответствия уникальных имен объектов.

Таким образом, у единого файла, представляющего собой входное техническое задание, пользователь запрашивает в задании на обработку некоторое интересующее его подмножество объектов телеметрии.

В третьей главе представлен стандарт библиотеки макроопреде

лгний, где каадое макроопределение взаимно однозначно соответствует операциям выборки и декодирования ТМ объектов. Набор функций достаточен для декодирования телеметрических объектов произвольной сложности, включает в себя все возможные логические операции преобразования битовых последовательностей. Стандарт универсален; он разработан таким образом, что каждое макроопределение можно реализовать на языке Ассемблера для любого распространенного типа ЭВМ (ЕС ЭВМ, иш РС, РСР-11).

Четвертая глава посвящена реализации трансляторов с языка кодирования к языка запросов телеметрической информации. В главе дан обзор существующих методов построения трансляторов для различных типов синтаксиса языков программирования. Обоснован выбор алгоритма реализации транслятора для снснтпксиса языка кодирования и языка запросов. Транслятор реализован на универсальном языке программирования Паскаль и адаптирован для ЭВМ типа ЕС и 1ПМРС. Транслятор обрабатывает совместно входное техническое задание, представленное с помощью языка кодирования, и задание па обработку на языке запросов ТМ информации и генерирует текст программы обработки в виде последовательности макрокоманд, соответствующих требуемым операциям декодирования объектов телеметрии. Этот транслятор и представляет собой генератор программ преобразования телеметрических данных.

ГППТД генерирует текст подпрограммы обработки независимо от типа ЭВМ, на котором она будет применяться, т.е. допустима кросс-трансляция текста подпрограммы. В зависимости от типа ЭВМ при обработке сгенерированной программы транслятором с ассемблера необходимо Л1гаь подключить соответствующую библиотеку макроопределений. В настоящее время разработаны макробиблиотеки для ЭВМ серии ЕС и Ш! РС. В принципе возможно ассемблирование сгенерированных подпрограмм на других типах ЗБН, например, РйР-и. Для этого необходимо создать библиотеку макроопределений ка языке Ассемблер РОР-11. выполняющих предписанные Функции, и обработать сгенерированную

подпрограмму транслятором с язика Ассемблера PDP-11 с подключением данной макробиблиотеки. Объектный код подпрограммы будет выполнять те хо функции.

Пятая глава посвящена применению генератора программ преобразования телеметрических данных к обработке данных проекта "Гранат". В главе приведен оптимальный алгоритм для предварительной обработки телеметрической структуры, которая применяется для формирования интегрального потока данных проекта "Гранат".

Данный алгоритм позволяет на этапе предварительной обработки восстановить информацию и локализовать сбои в реальном масштабе времени. Восстановленная структура представляет собой поток телеметрии, доступный для обработки генератором преобразования ТМ данных. Для реализации первичной обработки были созданы описания телеметрических структур для кадра каждого прибора, формирующего интегральный поток телеметрии. Совместная обработка их генератором позволила создать набор оптимальным образом функционирующих подро-грамм декодирования объектов телеметрии. Применение ГППТД позволило в короткий срок перевести программу первичной обработки с ЭВМ типа ЕС на IBM PC.

Кроме того, в главе излагается технология конкретного использования нового подхода к проблеме обработки и возможности дальнейшего развития. Дана схема всего цикла обработки данных проекта "Гранат".

В заключении приведены следующие основные результаты диссертационной работы.

1) Разработана методика, позволяющая автоматизировать процесс первичной обработки телеметрических данных.

2) Проведены исследования существующих телеметрических структур и показана возможность формализации данных структур с помощью -специализированного языка высокого уровня.

3) Разработан синтаксис языка кодирования телеметрической ин-

формации, позволяющий создавать самодокументированные технические задания иа обработку телеметрических данных.

4) Разработан синтаксис языка запросов телеметрических данных, позволяющий отразить требования пользователей к декодированным данным.

5) Выработан стандарт библиотеки макроопределений, взаимно од-козачно соответствующих операциям выборки и декодирования телеметрических объектов, а также обеспечивающих правильное функционирование генерируемых подпрограмм обработки.

G) Разработан транслятор с языка кодирования и языка запросов телеметрической информации, позволяющий генерировать исходный текст подпрограмм обработки в виде последовательности макрокоманд Обработанная стандартны;.! траслятором с языка ассемблер, подпрограмма производит требуемые операции по декодированию указанных пользователем объектов телеметрии.

7) Предложен оптимальный алгоритм предварительной обработки телеметрических данных проекта "Гранат", восстанавливающий структуру интегрального потока информации и приводящий ого к виду, доступному для программ первичной обработки.

8) Разработана программа первичной обработки данных прьоора "Сигма" проекта "Гранат" с применением генератора программ преобразования телеметрических данных для ЭШ серии ЕС и адаптирована на IBM PC. Данная программа обработки па ЭЕ.М обеих серий дает идентичные результаты.

9) Предложена концепция проведения обработки космических пра ектоэ с применением генератора программ преобразования телеметра ческих данных.

1*2

Список основных работ по теме диссертации.

1. Ананьев A.D., Репин C.B., Грибов Б.Э., Балакина О.В. Информационно-поисковая система эксперимента "Вега".- Препринт M165, U.i ИКИ АН СССР, 1986.

2. Балакина О. В. Комплекс программ обработки телеметрических данных эксперимента "Вега" в реальном времени.- Препринт №1183, Ы. t ИКИ АН СССР, 1986.

3. Балакина О.В. Система макроопределений геноратора программ преобразования телеметрических данных.- Препринт М655, И.: ИКИ АН СССР, 1990.

4.. Балакина О.В., Грибов Б.Э. Применение генратора программ преобразования телеметрических данных для обработки космических якспериментов. // Сборник докладов 9-ой конференции секции )!6 рабочей группы "Космическая физика" программы ИНТЕРКОСМОС, Потсдам, 21-26 ноября 1988 г.

5. Балакина О.В., Грибов Б.Э. Принципы организации генератора программ преобразования телеметрических Данных.- Препринт »1647, M. s ИКИ АН СССР, 1990.

6. Балакина О.В., Грибов Б.Э. Язык кодирования телеметрической информации.- Препринт №1648, Н.: ИКИ АН СССР, 1990.

7. Балакина О.В., Грибов Б.Э. Язык запросов телеметрической информации.-Препринт М645, М. : ИКИ АН СССР, 1990.

8. Балакина О.В., Дьячков A.B. Применение генеоатора программ преобразования телеметрических данных для обработки данных проекта "Гранат" .-Препринт №1694, Ы. : ИКИ АН СССР, 1990.

9 Grlng.iux K.J., Gombœi T.I., Balalcina O.V. at al. Dcicction of a new "chemical" boundary at comet H&lley. // Geophysical Res. Letters, vol. 13, no. 7, pages 613-616, July 198G.